贠 英， 陳冬林， 米建春， 鄧 濤， 成 珊

（1．長(zhǎng)沙理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，長(zhǎng)沙410076；2．北京大學(xué) 湍流與復(fù)雜系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100871）

自激振蕩射流是指流體從一個(gè)相對(duì)較小的噴嘴射入特定的突擴(kuò)腔體發(fā)生的整體低頻振蕩現(xiàn)象，這種射流已開始應(yīng)用于國(guó)外的工業(yè)燃燒器．帶自激振蕩射流的燃燒器作為氣體燃燒器與傳統(tǒng)燃燒器相比，可降低40%～60%的NOx排放量，節(jié)約5%～10%的燃料量，從而減少5%～10%的CO2排放量［1－3］．

射流的振蕩可由多種方式產(chǎn)生，其中之一是機(jī)械激勵(lì)．機(jī)械激勵(lì)可通過旋轉(zhuǎn)、往復(fù)運(yùn)動(dòng)、搖擺等方式實(shí)現(xiàn)［4－7］，機(jī)械激勵(lì)式射流能增加近場(chǎng)區(qū)的衰減和擴(kuò)散，但它對(duì)機(jī)械裝置的維修要求較高，并且在惡劣工業(yè)環(huán)境中的耐用年限較短．音頻共振也可以激勵(lì)射流產(chǎn)生振蕩，但一般來說，音頻共振僅能激勵(lì)射流的剪切層，且噪聲很大［8］．自激旋進(jìn)射流（fluidic precessing jet）是流體流經(jīng)一個(gè)兩端都有圓形孔板的腔體時(shí)根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理而產(chǎn)生射流的振蕩，它無需外力，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，比以上2種形式的射流在實(shí)際操作中都簡(jiǎn)單，并且已成功在高溫環(huán)境中使用，如水泥窯爐、氧化鋁窯爐和氧化鋅窯爐等［9－11］．自激旋進(jìn)射流流動(dòng)非常不穩(wěn)定，使得射流近場(chǎng)區(qū)的傳播和衰減比簡(jiǎn)單射流快，且這種射流的壓降非常大，從而促使人們?nèi)ふ乙环N低壓損、無運(yùn)動(dòng)部件的新型射流裝置．

自激振蕩射流正是在上述背景下提出來的［12－13］，其腔體入口形狀通常是長(zhǎng)方形、三角形、橢圓形或其他非圓形，其中入口形狀為等邊三角形的自激振蕩射流產(chǎn)生的振蕩最強(qiáng)烈［14］．Lee［12］給出三角形自激振蕩射流的擴(kuò)散角隨腔體長(zhǎng)度變化的曲線，但對(duì)于各腔體長(zhǎng)度下的射流流動(dòng)特性仍缺乏研究．筆者采用粒子圖像測(cè)速（PIV）技術(shù)對(duì)不同腔體長(zhǎng)度的三角形入口突擴(kuò)腔體噴嘴出口段的流場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)量，并運(yùn)用專業(yè)的數(shù)據(jù)處理軟件Tecplot對(duì)噴嘴出口段的平均速度場(chǎng)、脈動(dòng)速度場(chǎng)及湍動(dòng)能場(chǎng)進(jìn)行了處理，得出腔體長(zhǎng)度對(duì)出口射流流動(dòng)特性的影響，為三角形自激振蕩射流的工業(yè)應(yīng)用提供了理論依據(jù)．

1 實(shí)驗(yàn)裝置

1．1 三角形入口突擴(kuò)腔體噴嘴

圖1為三角形入口突擴(kuò)腔體噴嘴的示意圖．腔體的內(nèi)徑D＝33mm，三角形入口采用45°倒角突擴(kuò)的形式，三角形的邊長(zhǎng)為16mm，在處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)均采用水力直徑De進(jìn)行計(jì)算，本次實(shí)驗(yàn)中噴嘴入口水力直徑 De（＝2（Aπ－1）1／2）為11．88mm．該噴嘴的腔體入口膨脹率為D／De＝2．78，腔體長(zhǎng)度L可調(diào)，選取L為35mm、45mm、55mm、65mm和80mm 5種長(zhǎng)度進(jìn)行分析研究．每種長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)徑比見表1．

1．2 PIV實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1．2．1 PIV技術(shù)原理

PIV技術(shù)是一種可以無擾動(dòng)測(cè)量整個(gè)流場(chǎng)的瞬時(shí)速度場(chǎng)測(cè)量技術(shù)，其基本原理如下：在流場(chǎng)中散播示蹤粒子，利用脈沖激光片光源照射所測(cè)流場(chǎng)區(qū)域，通過連續(xù)2次或多次曝光，粒子的圖像被記錄在CCD相機(jī)上，攝取該區(qū)域粒子圖像的幀序列，并記錄相鄰2幀圖像序列之間的時(shí)間間隔，進(jìn)行圖像相關(guān)分析，識(shí)別示蹤粒子圖像的位移，從而得到流體的速度場(chǎng)［15］．

圖1 三角形入口突擴(kuò)腔體噴嘴（單位：mm）Fig．1 Nozzle of sudden expansion chamber with triangular inlet（unit：mm）

表1 不同噴嘴腔體長(zhǎng)度下的幾何尺寸Tab．1 Geometries of the nozzle with different chamber lengths

1．2．2 PIV裝置

圖2為該實(shí)驗(yàn)的噴嘴及PIV裝置示意圖．其中PIV裝置由以下幾部分組成：

（1）直接反映流場(chǎng)流動(dòng)情況的示蹤粒子．本實(shí)驗(yàn)中PIV示蹤粒子使用小橄欖油顆粒，平均直徑約為1μm，由Laskin噴嘴粒子發(fā)生器產(chǎn)生．這種示蹤粒子具有良好的跟隨性且滿足當(dāng)前的速度測(cè)量范圍．在實(shí)驗(yàn)過程中，從發(fā)生器產(chǎn)生的橄欖油粒子被分成2部分，一部分用來植入射流流體，另一部分植入周圍空氣，形成“協(xié)同流”，該“協(xié)同流”是由一根盤繞在垂直管周圍的塑料管提供的．這些塑料管在垂直向上的方向開有小洞，小洞向上的氣流速度很小（＜1%Ue）．這種“協(xié)同流”的動(dòng)量保持在一個(gè)小到基本可以忽略的值，因此其對(duì)射流的影響很小．

（2）成像系統(tǒng)．這部分主要由激光片光源、透鏡及照相機(jī)組成．本實(shí)驗(yàn)中PIV系統(tǒng)使用的激光器是Quantel Brilliant Twins雙脈沖Nd：YAG（即脈沖銥－銣?zhǔn)袷す馄鳎?，脈沖頻率為10Hz，激光輸出波長(zhǎng)為λ＝534nm，激光能量為250MJ，激光通過一組透鏡形成約為1mm厚的片光源．實(shí)驗(yàn)中使用的相機(jī)是具有雙曝光功能的分辨率為1008×1008像素的MegaPlus ES1．0CCD相機(jī)．

（3）圖像處理系統(tǒng)．用于完成從2次曝光的粒子圖像中提取速度場(chǎng)．圖像處理系統(tǒng)又包括控制器、圖像采集卡及開發(fā)的軟件程序．

圖2 噴嘴和PIV系統(tǒng)示意圖Fig．2 Schematic diagram of the nozzle and PIV system

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

對(duì)膨脹率D／De為2．78、腔體長(zhǎng)徑比L／D分別為1．06、1．36、1．67、1．97及2．42的三角形入口突擴(kuò)腔體噴嘴在0＜x＜17De（x為腔體出口到下游的軸向距離）區(qū)域內(nèi)出口射流的平均速度場(chǎng)、脈動(dòng)速度場(chǎng)和湍動(dòng)能進(jìn)行測(cè)量與分析．其中腔體入口雷諾數(shù)Re均為72 000．由于測(cè)量條件的限制，對(duì)0mm＜x＜100mm和100mm＜x＜200mm 2個(gè)區(qū)域分別進(jìn)行測(cè)量．PIV裝置直接測(cè)出的是瞬時(shí)速度矢量，平均速度、脈動(dòng)速度及湍動(dòng)能均是經(jīng)過Tecplot軟件進(jìn)行后處理得到的．在本實(shí)驗(yàn)研究中，對(duì)于入口為等邊三角形、膨脹率D／De為2．78的突擴(kuò)腔體噴嘴，射流發(fā)生自激振蕩的判據(jù)為α≥12°（α為噴嘴出口射流平均速度場(chǎng)的擴(kuò)散角）．

3 結(jié)果及分析

3．1 平均速度

3．1．1 平均速度場(chǎng)

圖3給出了腔體長(zhǎng)徑比L／D 分別為1．06、1．36、1．67、1．97及2．42，腔體入口為等邊三角形的突擴(kuò)腔體噴嘴射流出口段過軸心線的xy平面的無量綱平均速度場(chǎng)．坐標(biāo)原點(diǎn)0在腔體出口平面與腔體軸心線的交點(diǎn)，x軸沿腔體軸心線的位置指向射流出口方向，y軸方向與等邊三角形的一邊垂直（圖1）．圖3中長(zhǎng)度尺寸均通過水力直徑De進(jìn)行無量綱化處理，平均速度均通過流場(chǎng)中的最大速度Um進(jìn)行無量綱化處理．圖3中所表示的流場(chǎng)的范圍為－4≤y／De＜2，0．2＜x／De＜17．

圖3 不同腔體長(zhǎng)度下三角形入口突擴(kuò)腔體噴嘴出口射流無量綱平均速度場(chǎng)云圖Fig．3 Dimensionless mean velocity contours of jets following the sudden expansion chamber at different chamber lengths

從圖3可以看出，當(dāng)L／D＝1．06時(shí)，射流的擴(kuò)散角較小，僅為5°，且在8＜x／De＜17的范圍內(nèi)射流略微向y軸負(fù)方向偏斜，這是由腔體內(nèi)卷吸進(jìn)來的外界流體對(duì)射流的影響造成的；而當(dāng)L／D＝1．36時(shí)，射流的擴(kuò)散角比L／D＝1．06時(shí)稍大，為10°，此時(shí)射流從腔體出口到測(cè)量范圍的末端都發(fā)生較大程度的偏斜，且射流穩(wěn)定偏斜于y軸的負(fù)方向；L／D＝1．67、L／D＝1．97和L／D＝2．42三種情況下射流的擴(kuò)散較為類似，射流的擴(kuò)散角與前2種情況下比起來明顯增大，均為12°，且射流的勢(shì)核區(qū)（圖中白色部分代表的區(qū)域）寬度也明顯增加，此時(shí)射流發(fā)生自激振蕩，該結(jié)論從這3種噴嘴的瞬時(shí)速度場(chǎng)更容易得出．射流發(fā)生振蕩時(shí)，其湍流混合強(qiáng)度增加．L／D＝1．67時(shí)射流勢(shì)核區(qū)并不在軸心線處，而是在偏向y軸負(fù)方向的一側(cè)．由圖3可知，y軸負(fù)方向的擴(kuò)散均比正方向的擴(kuò)散強(qiáng)烈，這是因?yàn)閥軸正方向的擴(kuò)散由于等邊三角形各邊的阻擋而受到了限制．從圖3推斷，對(duì)于入口為等邊三角形、膨脹率D／De為2．78的突擴(kuò)腔體噴嘴，噴嘴出口射流平均速度場(chǎng)的擴(kuò)散角α≥12°時(shí)射流發(fā)生自激振蕩．

3．1．2 平均速度衰減

圖4為不同腔體長(zhǎng)度下三角形入口突擴(kuò)腔體噴嘴射流的軸心線速度衰減圖，Uc表示射流軸心線上的平均速度．由圖4可以看出，L／D＝1．36時(shí)沿軸心線的無量綱平均速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他4種情況下的無量綱平均速度，這是由于射流發(fā)生了偏斜，此時(shí)的軸心線速度并不是射流中心線上的速度．當(dāng)L／D＝1．06時(shí)射流軸心線的速度在x／De＝8處衰減突然增加，這是由于此時(shí)射流發(fā)生略微偏斜，同樣軸心線速度并不是射流中心線上的速度，這與圖3（a）吻合．L／D＝1．67時(shí)的初始段射流速度衰減比L／D＝1．97和L／D＝2．42時(shí)快，這是由于該腔體長(zhǎng)度下射流核心段發(fā)生了偏斜造成的．腔體長(zhǎng)徑比L／D＝1．97與L／D＝2．42時(shí)的射流速度衰減在射流的初始段基本一致，但L／D＝2．42的噴嘴在8＜x／De＜17范圍內(nèi)射流衰減得更快．

圖4 不同腔體長(zhǎng)度下三角形入口突擴(kuò)腔體噴嘴出口射流平均速度衰減圖Fig．4 Mean velocity decay of jets following the sudden expansion chamber at different chamber lengths

3．2 脈動(dòng)速度

圖5給出了不同腔體長(zhǎng)度下三角形入口突擴(kuò)腔體噴嘴出口射流過軸心線的xy平面上的無量綱脈動(dòng)速度場(chǎng)分布，其中脈動(dòng)速度通過Um進(jìn)行無量綱化處理．若用u和v分別代表射流脈動(dòng)速度的軸向和徑向（圖中指y軸方向）分量，圖5（a）～圖5（e）給出的是各種腔體長(zhǎng)度下無量綱化的射流脈動(dòng)速度軸向分量的絕對(duì)值u＇＝（u2）1／2，圖5（f）～圖5（j）給出的是無量綱化的射流脈動(dòng)速度徑向分量的絕對(duì)值v＇＝（v2）1／2．

圖5 不同腔體長(zhǎng)度下三角形入口突擴(kuò)腔體噴嘴出口射流無量綱脈動(dòng)速度場(chǎng)Fig．5 Contours of dimensionless oscillating velocity of jets following the sudden expansion chamber at different chamber lengths

由圖5可以看出，不同腔體長(zhǎng)度下射流脈動(dòng)速度的軸向分量均呈現(xiàn)射流中心線處小、射流中心線兩側(cè)大的趨勢(shì)，而徑向分量則呈現(xiàn)射流中心線處大、射流中心線兩側(cè)小的趨勢(shì)．在腔體長(zhǎng)徑比L／D從1．06增大到1．67的過程中，脈動(dòng)速度的軸向分量和徑向分量均呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，即隨著腔體長(zhǎng)度的增加，湍流強(qiáng)度增加．L／D＝1．67、L／D＝1．97與L／D＝2．42三種情況下射流脈動(dòng)速度的軸向分量和徑向分量的分布及大小較為類似，但L／D＝2．42時(shí)腔體出口處脈動(dòng)速度的軸向分量和徑向分量略小，此時(shí)隨著腔體長(zhǎng)度的增加，射流的湍流擴(kuò)散有減小的趨勢(shì)．

3．3 湍動(dòng)能

湍動(dòng)能的定義式為

在計(jì)算中，假設(shè)v和w相等，該假設(shè)在射流中心線周圍應(yīng)該是合理的［16］，因而湍動(dòng)能的計(jì)算式簡(jiǎn)化為

由式（2）得出的不同腔體長(zhǎng)度下三角形入口突擴(kuò)腔體噴嘴出口射流的無量綱湍動(dòng)能場(chǎng)見圖6，其中湍動(dòng)能通過U2m進(jìn)行無量綱化處理．

圖6 不同腔體長(zhǎng)度下三角形入口突擴(kuò)腔體噴嘴出口射流無量綱湍動(dòng)能場(chǎng)Fig．6 Contours of dimensionless turbulence kinetic energy of jets following the sudden expansion chamber at different chamber lengths

從圖6可以看出，在腔體長(zhǎng)徑比L／D由1．06增大到1．67的過程中，腔體出口段射流的湍動(dòng)能逐漸增加，說明此時(shí)湍流強(qiáng)度也在增強(qiáng)．L／D＝1．36時(shí)腔體出口射流y軸負(fù)方向的湍動(dòng)能遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于正方向的湍動(dòng)能，這是射流發(fā)生偏斜的直接原因．但L／D由1．67增大到2．42的過程中，湍動(dòng)能略微減小，但變化不大，在此腔體長(zhǎng)徑比范圍內(nèi)噴嘴發(fā)生自激振蕩，且在該范圍內(nèi)改變腔體長(zhǎng)度對(duì)射流振蕩的發(fā)生不會(huì)產(chǎn)生影響．

4 結(jié) 論

（1）對(duì)于腔體入口為等邊三角形、膨脹率D／De為2．78的突擴(kuò)腔體噴嘴，隨著腔體長(zhǎng)度的增加，在噴嘴射流發(fā)生自激振蕩前，經(jīng)歷了自由射流和穩(wěn)定偏斜2個(gè)階段．

（2）當(dāng)腔體長(zhǎng)徑比L／D較小時(shí)，腔體長(zhǎng)度對(duì)射流基本無影響，此時(shí)射流類似自由射流；當(dāng)1．06≤L／D≤1．36時(shí)，射流發(fā)生偏斜；當(dāng)1．67≤L／D≤2．42時(shí)，射流發(fā)生自激振蕩，在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中要選取此范圍的腔體長(zhǎng)度才能達(dá)到自激振蕩的效果．

（3）當(dāng)L／D＝2．42時(shí)，射流腔體出口處的脈動(dòng)速度分量及湍動(dòng)能均比L／D＝1．67和L／D＝1．97時(shí)要小，推測(cè)隨著腔體長(zhǎng)度的繼續(xù)增加，射流的湍流擴(kuò)散有降低的趨勢(shì)．

（4）對(duì)于入口為等邊三角形、膨脹率D／De為2．78的突擴(kuò)腔體噴嘴，射流發(fā)生自激振蕩的判據(jù)為α≥12°．

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